非对称独塔斜拉桥施工监控

李灵

非对称独塔斜拉桥施工监控

李灵

常州工程职业技术学院, 江苏 常州 213164

斜拉桥施工过程中各组成部分的受力情况是斜拉桥结构中重要组成部分，索力合理与否、施工过程中索塔和主梁的受力状况直接关系到结构的安全和经济性。本文以常州西太湖4号桥为背景，就斜拉桥索力、主梁的线性、悬臂浇筑过程控制及索塔与主梁分段施工过程中的施工监控进行研究。通过实际施工过程建立了空间分析模型比较分析表明：采用扣除初读数的方法，可大大减小应力测试值中非应力成份，能取得良好的应力测试效果。

斜拉桥; 施工监控

斜拉桥以其美丽的外观和优越的受力性能和经济型，成为现代桥梁发展最快的桥型之一[1]。随着桥梁施工技术的发展，技术人员逐渐认识到桥梁在施工阶段的监控很重要。桥梁施工过程中的监督和控制，不仅是桥梁施工技术的一个组成部分，同时也是实施难度相对较大的一部分[2]。尤其在斜拉桥的施工过程中，施工的监督和控制是确保桥梁施工质量的关键工序。桥梁施工过程中的监控是一个系统工程，主要包括数据采集以及对数据的分析处理。数据采集通常是把各种功能的传感器和相关的测试仪器预先埋设在桥梁基础、索塔、主梁和斜拉索等主要部位，按照施工组织设计和施工方案中规定的方法或工序，把大量的检测数据进行统计和汇总，主要包括结构几何参数和构件受力的力学参数[3-13]。把施工过程中收集来的数据，输入事先设计好的高效计算机程序，对施工全过程按照预定的施工方案进行仿真分析，将采集到的大量数据与原设计方提供的设计数据进行比较，然后分析其误差，并在允许范围内对下一施工阶段的数据和有关参数进行修正，这样可以对施工中可能出现的工况进行预报和分析，提醒技术人员及时采取相应的措施，以取得更加有利的工艺。通过施工过程中对数据和内力的监测与控制的有机结合，调整桥梁主要结构的内部应力和外部线性，尽可能使桥跨结构在各个方面都能接近或达到设计预期，确保桥梁施工过程中的安全和运营阶段的高效。近年来，国内对于桥梁施工监控的体系、理论和方法的研究日趋成熟，如田杰等人对潮白河三塔矮塔斜拉桥的施工监控给出了具体的方式和方法；朱伟结合有限元分析和现代控制理论中的自适应方法建立了部分斜拉桥的施工监控方案，并应用到了江苏高速公路荷麻溪大桥；姚敏红等采用线性最小方差估计，推断出刚构桥竖向变形施工监控所采用的计算方法。类似的研究还有很多，但是这些研究大多是针对特定工程所拟定的与工程实际相结合的施工监控方案，或者是监控过程中的某一方面的理论进行研究，而对于非对称独塔斜拉桥的整个施工过程中的监控的原则和方法，则较少予以阐述和总结。本文结合常州西太湖4号桥的施工监控方案，对施工检测的主要内容和手段加以说明，最后给出施工监控中技术方案改进的一些意见和建议。

1 有限元模型建立

1.1 工程概况

西太湖4号桥的结构形式为独塔单索面预应力混凝土斜拉桥，采用塔梁墩固结体系，主桥跨径布置为108 m+72 m+28 m，桥梁宽度22 m，桥面斜拉索扇形布置。其结构图如图1所示。索塔采用钢筋混凝土箱形结构，桥面以上部分塔身高60 m，其中结构段高50 m。主梁采用预应力混凝土箱梁，斜拉索是采用传统的钢绞线索，里面填充环氧涂层。

主梁为单箱四室箱型结构，梁2.4 m高，梁顶22 m宽，梁底8 m宽，采用C50混凝土。箱梁的顶板与底板平行，在双向设置横坡，坡度为1.5%。在拉索锚固端附近主梁设置中横隔板，厚450 mm，全桥计24个；在边支墩处设置1200 mm厚端横梁，全桥计2个；在辅助墩顶设置2 m中横梁。

1.2 主要材料

主桥纵、横向布置预应力钢束，均采用塑料波纹管成孔，真空压浆工艺。横向预应力主要施加在横梁及桥面板内，横向板预应力钢束采用3ΦS15.24，间距500 mm；横梁内预应力钢束采用7~12ΦS15.24。纵向预应力钢束布置在箱梁顶、底板上，采用Φ32精轧螺纹钢和12ΦS15.24、9ΦS15.24及5ΦS15.24组成桥梁主梁的预应力系统。斜拉索采用的七丝预应力高强钢丝Φ7，填充型环氧涂层，防护外套用的是HDPE，锚具为无粘结型锚具。塔身截面为空心箱型截面，主筋采用Φ32、Φ28规格。各材料的主要性能参数如表1[17]

表 1 材料性能参数

1.3 有限元模型

对于大跨径斜拉桥的施工过程中控制的计算，采用平面结构分析的方法一般是难以满足实际施工控制的需要，因此，本桥施工控制计算拟采用空间分析程序MIDAS CIVIL 2006桥梁专用软件，建立梁、壳单元混合的三维空间有限元模型，并用Doctor Bridge V3.2进行复核。根据结构的图纸信息，其MIDAS模型如下：

图 2 桥梁施工各阶段模拟图

2 施工监测的主要内容

2.1 主梁位移监测

2.1.1 监测目的桥梁施工过程中的施工控制的主要工作内容之一为主梁线形监测，因为它对其行车的舒适性和外形的美观都产生影响，而且还对成桥后整个结构内部应力的分布有影响，因此，在主梁施工时对主梁各控制点标高和横向偏位进行监测就显得很有必要了。

2.1.2 测点的布置主梁上测试位移的面设置63个，如图3所示。在每个横截面的位置又设置三个竖向位移测试点，一个横向测试点，见表2所示。

表 2 主梁位移测试点的布置及数量一览表

2.1.3 测量的方法首先是对主梁各控制点的竖向位移进行测量：用精密水准仪测量主梁高程，测出已施工完成的主梁控制水准点的绝对标高，然后根据施工完成后测得的梁高，两者相减，计算出相应位置的梁底标高。由于日照温差对梁体的不规则变化有影响，所以桥梁的线形测量选择在温度变化小、气候稳定的时间段进行，一般在当天温度较低的时候进行。同时，测量时间要缩短。

竖向位移检测完以后，就要对主梁的各控制点水平位移进行测量：采用全站仪测量各点三维坐标的方法，对桥梁中线和高程的线性同步测量，同时，在测量过程中要消除混凝土梁体因为混凝土徐变、现浇段的瞬间超重、施工过程中的误差、现浇施工支架的不均匀沉降等因素的影响，以免造成浇筑完成的梁体产生局部变形，或者是引起整个梁体偏离桥梁中心线。

位移数据采集完成后，根据选定的位移模式，导出节点位移表示该点的位移关系式：

{}=[]{}(1)

其中：{}：节点的位移矩阵；[]：形函数矩阵，元素为位置坐标的函数；{}：节点的位移列阵。

图 4 主塔应力测试点的布置

2.2 主梁的应力监测

2.2.1 监测的目的全桥的主要受力构件是主梁，它的各个部位的受力情况与桥梁整体结构的安全密切相关。因此，应力测试点必须在主梁受力的关键截面和关键部位上，这样监测的应力变化情况，可以和设计计算值进行比较，以便控制和检查结构内部应力是否超限，及时采取措施，进行施工预警，保障施工质量和安全。对独塔不对称斜拉桥来说，为了有效的了解斜拉索是否正常发挥作用，也要对主梁的关键截面的进行内部应力监测。

2.2.2 测点的布置根据主梁的结构情况和施工实际，主梁内部应力的控制选择了7个关键截面，其测试点布置如图4中1-1~7-7截面所示，各截面布点如图5所示。

图 5 主梁各截面内部应力测试点布置图

2.2.3 测量的方法预应力混凝土梁体内部应力测量方法主要有两种：一种是把振弦式应变计设置在测试截面的每个测点上，这样有利于仪器架设稳定，可以获得较高的测试精度，施工成本相对较少，操作也简单。但这种方法的缺点是耐久性差，使用年限一般不会超过三年，但在两年的施工控制工期和运营期内可以满足要求；另外一种是把光纤传感器设置在测试截面的每个测点上，这样做得好处是仪器的精度很高，测试的数据较准确，也能有很长的使用寿命，测试的准确性和稳定性都比较好。这种方法的缺点是采用串联式的仪器布置，如果使用过程中，有一个测点被损坏，那么整个线路就会中断，测试就被终止，不利于数据采集的系统工程，关键是，这种方法的施工成本较高。

通过以上分析，考虑施工成本和技术控制等各方面因素，本桥的主梁内部应力测量拟采用振弦式应变计的方法。在施工过程中，将同一截面和相邻截面的应力测点连接在一起放在一个集线箱内，集中对数据进行采集。每一次数据采集结束后，技术员根据读数仪和集线箱快速采集的应变计频率变化，利用应变计频率和应变的相互关系，计算出该工况相应测试点的应变，进而换算成内部应力。

2.3 斜拉索索力的监测

2.3.1 监测目的斜拉索是桥梁结构的主要承重构件，其索力的大小不仅关系到结构内力分布，而且还关系到主梁线型，因此，必须在斜拉索张拉和梁段拼装施工阶段对其张拉力和索力变化情况进行准确测试。

2.3.2 测点的布置对桥梁中的每一根斜拉索，在张拉阶段的全过程都要进行测试，记录相关数据，具体的测试项目及测试数量见表3。斜拉索索力测试点布置，见图6所示。

表 3 斜拉索索力测试点布置及数量一览表

2.3.3 测量的方法施工过程中的斜拉索张拉力的测量：施工张拉力的数值是根据斜拉索张拉阶段千斤顶顶的伸长和油表的读书，通过一定的公式计算获得。为减少张拉索力的测试误差，本桥在施工过程中采用的是带精密油压表的千斤顶张拉系统，以有效获取高精度的数据。对各施工工况中斜拉索索力的变化情况进行数据采集，采用脉动法(或称频谱分析法)，根据自振频率与索力的关系确定索力。这一过程，要经过滤波、放大和频谱分析对传感器摄取的数据振动信号进行处理。其动力平衡方程为：

其中：：纵向坐标（直至索长度方向）；：横向坐标（索长方向）；：单位索长重力；：重力加速度；：索的张力。

假定索的两段部是绞结，解式1方程得到：

其中：f：钢索的阶自振频率；：钢索的计算长度。

2.4 索塔塔顶变位监测

2.4.1 监测目的本桥为独塔斜拉桥，索塔两侧桥跨采用不对称布置，主塔容易在不对称荷载下产生较大偏位，因此该桥根据计算分析将对索塔施工采取纵向预偏。此外，塔顶位移也是索力调整时的重要控制指标，因此塔顶位移监测在本桥监控中也相当重要。

2.4.2 测点布置索塔施工时根据现场条件布设临时测点，用来观测施工预偏控制；索塔施工完毕时将索塔偏移的测点布置于索塔顶部。

2.4.3 测量方法索塔施工时根据现场条件布设临时测点，安装临时小棱镜；在索塔顶部设置固定点，安装单棱镜，在斜拉索张拉及后续施工完成后，采用徕卡全站仪对棱镜中心点三维坐标进行观测，测量索塔顶部纵横向偏位。

2.5 索塔应力监测

2.5.1 监测目的独塔斜拉桥的索塔不仅承受巨大的自重荷载和不对称索力在塔根处产生的附加弯矩，而且在风荷载作用下还会不断振动，故其受力情况比较复杂，且关系到结构是否安全，为此，有必要在塔根以及索塔其它主要断面处设置应力测点，以监测其受力情况。

2.5.2 测点布置主塔测试断面的测点布设示意位置见图7（a）所示，断面8-8和断面9-9各布设4只内置式应变计，如图7（b）和图7（c）所示。测量方法和2.2中主梁应力测量的方法相同。

图 7 索塔应力测试断面及断面测点位置示意图

2.6 基础沉降监测

2.6.1 监测的目的本桥主墩承台基础采用钻孔灌注桩群桩基础，基础过大的整体沉降和不均匀沉降不仅会使结构产生附加内力，而且还会影响桥梁整体的稳定性和安全性，因此，必须在施工过程中监测在恒载不断累加作用下基础的不均匀沉降和累计沉降。

2.6.2 测点的布置把4个位移测点布置在主墩承台上。同时，设置6个沉降测点在另外3个辅助墩上，各个测试点对称桥梁、塔柱中心线设置，横向、纵向都对称布置。相关测点见图8和9所示。

图 8 主承台沉降测试点示意图

图 9 边墩和辅助墩沉降测试点示意图

2.6.3 测量的方法基础的沉降观测用高精度徕卡电子水准仪进行测试，在承台施工作业完成后就立即对承台沉降进行观测，观测的时机选择在有新增恒载工况的情况进行，主要采集各主要工况施工后基础沉降值和承台本身的变形的相关数据。

2.7 温度测试断面

2.7.1 主梁主梁温度测点同应力测点，采用带温度传感功能的振弦式应变计进行测试，主要测试季节性温差和日照温差引起的关键截面温度变化，主梁受日照影响相对较大，因此通过对主梁温度的测试，以便在施工过程中及时修正由日照温差引起的主梁架设标高和斜拉索施工张拉力。

2.7.2 索塔索塔温度测点同应力测点，通过带温度传感功能的振弦式应变计进行测试，主要测试季节性温差和日照温差引起的关键截面温度变化，以便在施工过程中及时修正由日照温差引起的应力测试值的误差。

2.8 满堂支架体系的监测

由于主梁的施工采用满堂支架的方法，为了提高主梁的施工质量，满堂支架的要具备足够的刚度、稳定性和强度，因此将选取支架的部分构件进行监测。

选取每跨跨中和四分点断面附近的支架杆件进行监测，主要监测支架的整体沉降量。

3 计算机辅助系统数据处理

本桥梁工程项目施工管理项目部针对施工过程中收集的监控数据的处理，工程师和第三方共同研发了一套计算机辅助管理系统，如图10（a）-（d）所示。该计算机辅助系统具有灵活高效的数据IN、OUT、EDIT和查询功能，能对施工过程的各类数据进行对比分析、查询、和统计报表要求，并能结合原先储存在系统中的设计数据，自动预警。该系统不仅在西太湖4号桥的施工监控工作中起到了很好的辅助作用，还应用于江苏省多座桥梁的施工监控。

图 10 计算机辅助管理系统及数据处理界面

4 结论

本文以西太湖4号桥为研究对象，运用MIDAS CIVIL 2006桥梁专用有限元分析软件，对主梁、索塔建立了桥梁结构和施工模型，采用建模、数据采集、实际测量、比较优化的方法对斜拉桥施工过程中的一些关键性技术问题进行了分析研究。研究的主要结论有：

（1）对于常见的非对称独塔斜拉桥的施工监控，通过前期的桥梁构件的分析计算，对确定的目标进行控制，形成施工文件并对施工过程进行控制；

（2）在该桥的施工过程中，采用了自适应方法进行施工过程的监测控制，较好地对施工过程实现了双控。在施工控制的具体设施过程中，设计方和施工方紧密配合，按照施工前的监测控制方案和施工流程，建立施工全过程的数据采集和验算工作，采用项目部和第三方研发的计算机辅助数据库和平台，对施工过程中的监测数据进行全面的对比和计算，切实有效地完成了对施工质量和施工安全的事先控制。按照施工和设计的施工顺序以及工艺流程，对桥梁各部分构件的内力、变形等进行复核和比较，得到各施工工况下的结构受力和变形的控制数据，包括：各施工工况下的主梁标高、主梁偏位、索力大小、主梁截面的应力应变，适时调整，确保阶段性各类数据满足施工控制的要求；

（3）利用研发的计算机辅助数据库和平台，对施工过程中的各类数据进行采集和处理，有别于传统数据采集和处理，不但减少了技术人员的数据统计工作量，还提高了数据分析和处理的精度；

（4）通过对非对称独塔混凝土斜拉桥的施工过程的分析：在施工过程中，主梁内部纵向应力沿横向分布是很不均匀的，有明显的剪力滞效应，主梁施工和张拉过程中，在纵横向的刚度和预应力筋对施工过程的桥梁斜拉索张拉力有一定影响，应引起高度的重视。

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Monitoring for Cabled-stayed Bridge Construction with Asymmetric Single Tower

LI Ling

213164,

In the construction process of cable-stayed bridge, the stress of each component is an important part of the cable-stayed bridge structure. Whether the cable force is reasonable or not, and the stress of pylon and girder in the construction process are directly related to the safety and economy of the structure. Based on the background of No. 4 West Taihu Bridge in Changzhou, this paper studies the cable force of cable-stayed bridge, the linearity of main girder, the control of cantilever pouring process and the construction monitoring of pylon and main girder in the process of sectional construction. Through the comparison analysis of the spatial analysis model established in the actual construction process, it is shown that the non-stress component in the stress test value can be greatly reduced by deducting the initial reading, and good stress test results can be obtained.

Cable-stayed bridge; construction monitoring

U445

B

1000-2324(2021)02-0328-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.031

2019-06-11

2019-07-25

李灵(1970-),男,硕士,副教授,从事道路工程施工、桥涵工程施工、工程项目管理等方向的研究. E-mail:454149965@qq.com

网络首发:2020-03-30 http://www.cnki.net